В начало

Предмет и задачи экологии (Лекция)

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Предмет и задачи экологии

2. Уровни организации жизни

3. Среда обитания. Условия и факторы среды

4. Интенсивность действия факторов среды

5. Понятие популяции

 

1. Предмет и задачи экологии

 

1. Экология – наука, изучающая взаимоотношения между живы­ми организмами и средой обитания, находящимися в тесной взаимосвязи и взаимозависимости друг с другом. Термин "эко­логия" (от греч. oikos – дом, logosнаука) предложил в 1866 г. немецкий зоолог Э. Геккель.

Первоначально экология развивалась как составная часть биологи­ческой науки, но постепенно пришло понимание того, что че­ловек, его образ жизни и мыслей, его судьба – все это неотде­лимо от окружающей среды и является ее частью, и его взаи­моотношения с природой – воздействие на нее, в процессе жизнедеятельности и обратное влияние оскудевшей природы на развитие человеческого общества – должны стать предме­том специального изучения.

На современном этапе развития цивилизации, экология пред­ставляет собой сложную комплексную дисциплину, основанную на различных областях человеческих знаний:

• биологии;

• химии;

• физики;

• социологии;

• природоохранной деятельности;

• различных видов технологии и т. д.

Основным объектом изучения в современной экологии явля­ются – экосистемы, т. е. единые природные комплексы, обра­зованные живыми организмами и средой обитания. Кроме то­го, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, т. е. сово­купности особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень).

Понятие сложного объекта (системы).

Системный анализ, системная методология все глубже проникают в практику современных научных исследований и разработок,
формирования комплексных программ для решения сложных научных и практических проблем технических, социально-экономических, военных, экологических и т. п. Системный подход особенно эффективен при широком использовании ЭВМ и математических методов исследования и принятия решений, что, и свою очередь, требует
создания математических моделей различных объектов материального мира.

Широко известны самые общие принципы и этапы исследований
в рамках такой методологии: концептуализация, т. е. выбор или
построение абстрактных моделей, отвечающих представлениям об
объекте; идентификация моделей наполнение их реальной информацией об объекте; машинные эксперименты с моделями и теоретические исследования, принятие решений. Однако практическая реализация этих этапов в значительной степени зависит от особенностей ис-
следуемого объекта, степени его сложности, условий его наблюдения, сроков и т. п.

Будем исходить из представления о системе как о целостном
множестве элементов (объектов), физических или(и) концептуальных, связанных взаимными отношениями. В ма-
тематике, где понятия модели и системы отождествляются, в общем
случае оперируют представлением о системе
как о совокупности двух произвольных множеств А,В и отношения
S: (А, В, S). Отношение S является, подмножеством декартова
произведения:

 .

В частности, это может быть оператор (отображение)

.

Последнее понятие менее общее, однако, вполне достаточное и удобное для многих целей. Класс объектов, для которых
характерна уникльность, и невозможность или нежелательность, по
каким-либо причинам натурных экспериментов, будем называть сложными объектами, ограничивая действие это-
го не слишком оригинального термина, лишь рамками данного изложения, поскольку четкое общепринятое определение интуитивного понятия сложного объекта (или сложной системы) пока не известно.

2. В настоящее время экология разделилась на несколько направле­ний и научных дисциплин:

аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельных организмов (видов, особей) с окружающей их средой;

популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов;

синэкологию (биоценологию), изучающую взаимоотношения популяций, сообществ и экосистем со средой;

социальную экологию, исследующую взаимодействия и взаимосвязи человеческого общества с природной средой; разрабаты­вающую научные основы рационального природопользования, предполагающие охрану природы и оптимизацию жизненной среды человека;

экологию человека, рассматривающую общие законы взаимоот­ношения биосферы и антропосистемы, влияние природной сре­ды на отдельного человека и группы людей.

Для всех этих направлений главной задачей является изучение механизмов выживания, саморегуляции живых организмов и их сообществ, адаптации к меняющимся условиям среды, устой­чивости экосистем и биосферы в целом.

В последнее время роль и значение биосферы как объекта ана­лиза непрерывно возрастает. Это связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды, возрос­шей ролью экологических, социальных и нравственных аспектов по причине резко негативных последствий научно-технического прогресса и обострения экологической обстановки в масшта­бах всей планеты. Поэтому в настоящее время отмечается "эколо­гизация" многих естественных, технических и гуманитарных наук; так появились:

прикладная экология, которая изучает ме­ханизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвра­щения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов;

геоэкология;

промышленная экология;

химическая экология;

онкологическая экология;

историче­ская экология;

математическая экология;

сельскохозяйственная экология и т. д.

Современная экология тесно связана с политикой, экономикой, правом (включая международное право), психологией и педа­гогикой, т. к. только в союзе с ними, возможно, преодолеть не­гативные последствия технического развития общества и выра­ботать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющий поведение людей по отношению к природе.

3. Задачи, которые ставятся перед экологией, весьма многообраз­ны. В общетеоретическом плане к ним можно отнести:

• разработку общей теории устойчивости экологических систем;

• изучение экологических механизмов адаптации к среде;

• изучение биологического разнообразия и механизмов его под­держания;

• исследование продукционных процессов;

• исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости;

• моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время, следующие:

• прогнозирование и оценка возможных отрицательных послед­ствий в окружающей природной среде под влиянием деятель­ности человека;

• улучшение качества окружающей природной среды;

• сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

• оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения эко­логически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районах.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.

Таким образом, экология становится одной из важнейших наук

будущего.

 

2. Уровни организации жизни

Мир живых существ, включая человека, представлен биологи­ческими системами различной структурной организации и разно­го уровня соподчинения, или согласованности.

В настоящее время выделяют несколько уровней организации живой материи:

молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне функционирования биологических молекул – биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жиз­недеятельности организма: обмен веществ и превращение энер­гии, передача наследственной информации и др.;

клеточный. Клетка является структурной и функциональной единицей развития всех живых организмов, обитающих на Зем­ле. Свободноживущих неклеточных форм жизни не существует;

тканевой. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток, объединенных выполнением общей функции;

органный. Органы – структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей.

Экосистема изучает еще четыре уровня:

организменный. Многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов, специализированных для выпол­нения различных функций;

популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и то­го же вида, объединенная общим местом обитания, создает популяцию как систему надорганизменного порядка. В этой сис­теме осуществляются простейшие, элементарные эволюцион­ные преобразования;

биогеоценотический. Биогеоценоз – совокупность организмов раз­ных видов и различной сложности организации со всеми факто­рами среды их обитания;

биосферный. Биосфера – система высшего порядка, охватываю­щая все явления жизни на нашей планете.

На этом уровне про­исходят круговорот веществ и превращение энергии, связан­ные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле.

Свойства каждого отдельного уровня значительно сложнее и мно­гообразнее предыдущего. Но объяснить это можно лишь час­тично на основе данных о свойствах каждого последующего биологического уровня исходя из свойств отдельных состав­ляющих его более низких уровней. Такое явление называют эмерджентностью наличием у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, а также сумме других элементов, не объединенных системообразующими сетями.

 

3. Среда обитания. Условия и факторы среды

 

На Земле существует четыре основные среды обитания, освоен­ные и заселенные организмами. Это – водная, наземно-воздушная, почвенная и, наконец, среда, образуемая самими жи­выми организмами. Каждая из них имеет свои специфические условия жизни.

Водная среда характеризуется жидким агрегатным состоянием и в зависимости от глубины может быть как аэробной (поверх­ностные слои различных водоемов), так и анаэробной (на больших глубинах океана, в водоемах с высокой температу­рой). Эта среда – более плотная, чем воздушная, более благо­приятная с позиции добычи организмом воды и ее сохранени­ем в нем, а также более богата пищевыми ресурсами. В водной среде в далеком геологическом прошлом зародилась жизнь.

Формы организмов, живущих в воде, многообразны; среди них существуют такие, которые дышат кислородом как раство­ренным в воде, так и содержащимся в атмосфере, а также ана­эробные организмы. В данной среде живут различные простей­шие, водоросли, рыбы, членистоногие, моллюски, иглокожие и представители других типов и классов животного и расти­тельного мира.

Наземно-воздушная среда в ходе эволюции освоена позже вод­ной, она более сложна и требует более высокого уровня орга­низации живого. Здесь существенную роль играют температура воздуха, содержание кислорода, влажность, погода, интенсив­ность света, что особенно важно для растений. Это аэробная среда, в которой осуществляется интенсивный обмен газов и воды, которая необходима для жизнедеятельности живых существ. Поэтому живущие в данной среде организмы приспо­соблены к добыванию и сохранению влаги, а животные обладают способностью к достаточно быстрому и активному перемеще­нию. В этой среде живут птицы, многие виды членистоногих, млекопитающие, различные виды покрытосеменных и т. п.

Почва как среда обитания множества микро- и макро организмов, а также корней растений имеет свои экологические осо­бенности. В почве первостепенное значение имеют такие фак­торы, как структура, химический состав и влажность, а вот свет или резкие колебания температуры практически не игра­ют роли. Обитателей почвенной среды называют эдофобиантами или геобионтами. Здесь можно встретить разнообразных представителей типа простейших, различные водоросли, гри­бы, многообразные виды различных червей, моллюсков, раз­личных представителей высших животных. Почва является субстратом различных видов высших растений, для которых характерна наземная среда.

Живой организм представляет собой специфическую среду оби­тания для паразитов и симбионтов. Главную роль здесь играет обилие пищи, относительная стабильность условий, защищен­ность от неблагоприятных внешних факторов, но в то же вре­мя и активное сопротивление организма-хозяина.

Условия и факторы среды взаимосвязанные понятия, которые характеризуют среду обитания организмов. Условия среды обычно определяются как экологические факторы, оказываю­щие влияние (положительное или отрицательное) на существо­вание и географическое распространение живых существ.

Экологические факторы очень многообразны как по своей природе, так и по воздействию на живые организмы. Условно все факторы среды подразделяются на три основные группы – абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотическими факторами называют всю совокупность факто­ров неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Это, прежде всего климатические:

сол­нечный свет, температура, влажность,

и местные:

рельеф, свой­ства почвы, соленость, течения, ветер, радиация и т. д.

Эти факторы могут влиять на организмы прямо, т. е. непосредст­венно, как свет или тепло, либо косвенно, как, например, рельеф, который обуславливает действие прямых факторов – освещен­ности, увлажнения, ветра и пр.

Биотические факторы – это всевозможные формы влияния живых организмов друг на друга и на среду. Биотические взаимоотношения имеют чрезвычайно сложный и своеобразный характер и также могут быть прямыми и косвенными.

Антропогенные факторы – это все те формы деятельности чело­века, которые воздействуют на естественную природную среду, изменяя условия обитания живых организмов, или непосредствен­но влияют на отдельные виды растений и животных.

В свою очередь, организмы сами могут оказывать влияние на условия своего существования. Например, наличие раститель­ного покрова смягчает суточные колебания температуры вбли­зи поверхности Земли, колебания влажности и ветра, а также влияет на структуру и химический состав почв.

Все имеющиеся в природе экологические факторы воздействуют на жизнь организмов по-разному и имеют различную степень важности для отдельных видов. В то же время набор факторов и их значимость для организмов зависят от среды обитания.

 

4. Интенсивность действия факторов среды

 

Некоторые свойства среды остаются относительно постоянны­ми на протяжении длительных периодов времени. Таковы сила тяготения, интенсивность солнечного излучения, солевой со­став океана, газовый состав и свойства атмосферы. Большин­ство же экологических факторов – температура, влажность, ве­тер, количество и равномерность выпадения осадков, укрытия, хищники, паразиты, конкуренты и пр. – очень изменчиво как в пространстве, так и во времени. Степень изменчивости каж­дого из этих факторов зависит от особенностей среды обитания. Например, температура сильно колеблется на поверхности су­ши, но почти постоянна на дне океана или в пещерах. Парази­ты живут в условиях избытка пищи, тогда как свободно живущие хищники часто испытывают голод.

Популяции организмов, обитающих в какой-то определенной среде, приспосабливаются к изменчивости факторов путем ес­тественного отбора; у них вырабатываются те или иные мор­фологические и физиологические особенности, позволяющие существовать именно в этих и ни в каких других условиях. Для каждого влияющего на организм фактора существует бла­гоприятная сила воздействия, называемая зоной оптимума экологического фактора или просто его оптимумом. Отклонение от оптимальной интенсивности действия фактора (уменьшение или увеличение) на организмы определенного вида действует угнетающе их жизнедеятельность. Границы, за пределами ко­торых наступает гибель организма, называются верхним и ниж­ним пределом выносливости.

На организм одновременно влияют многочисленные факторы среды.

По отношению к одним факторам организмы обладают боль­шой выносливостью и выдерживают значительные отклонения их интенсивности от оптимальной величины. К другим – ор­ганизмы менее приспособлены и могут вынести лишь неболь­шие изменения.

В зависимости от факторов среды различают виды организмов: тепло- и холодолюбивые, влаго- и сухолюбивые, приспособлен­ные к высокой или низкой солености воды. Например, для водных животных большое значение имеет концентрация ки­слорода в воде. Некоторые виды могут существовать лишь в узких пределах колебаний содержания кислорода.

Различается отношение организмов и к нахождению в среде химических элементов. Например, на бедных азотом почвах растет клевер. Крапива же поселяется только на почвах, бога­тых азотом. Организмы с большим диапазоном выносливости ко всем факторам среды распространены более широко.

На разных этапах онтогенеза организмы могут проявлять не­одинаковую выносливость к тому или иному фактору. Напри­мер, у бабочек мельничной огневки – одного из вредителей муки и зерновых продуктов – критическая минимальная тем­пература для гусениц 7оС, для взрослых форм –22°С, а для яиц –27°С. Мороз в – 10°С погубит гусениц, но будет безвре­ден для яиц и взрослых форм.

Отклонение интенсивности одного какого-либо фактора от оп­тимальной величины может сузить пределы выносливости к дру­гому. Фактор, находящийся в недостатке или избытке по срав­нению с оптимальной величиной, называется ограничивающим, поскольку он делает невозможным процветание вида в данных условиях. Впервые на существование ограничивающих факторов указал немецкий химик Ю. Либих (1803–1873). Ограничиваю­щими распространение факторами могут быть и биотические отношения: занятие территории более сильным конкурентом или недостаток опылителей для растений. Для распространения видов большое значение имеют два показателя: температурный порог развития и сумма эффективных температур. Под эффек­тивной температурой понимают разницу между температурой среды и температурным порогом развития.

И пороги развития, и сумма эффективных температур для ка­ждого вида свои. Они обусловлены исторической приспособ­ленностью вида к определенным условиям жизни.

Многие факторы становятся ограничивающими в период раз­множения. Пределы выносливости семян, яиц, эмбрионов, ли­чинок обычно уже, чем доля взрослых растений и животных.

Выявление ограничивающих факторов очень важно в практи­ческом отношении. Так, пшеница плохо растет на кислых поч­вах, и внесение в почву извести позволяет значительно повы­сить урожайность.

 

5. Понятие популяции

 

В природных условиях организмы одного вида расселены не­равномерно. В результате вид распадается на группировки или популяции, соответствующие зонам более плотного заселения. Радиусы индивидуальной активности отдельных особей огра­ничены. Так, виноградная улитка способна преодолеть рас­стояние в несколько десятков метров, ондатра – в несколько сотен метров, песец – в несколько сотен километров. Благода­ря этому размножение (репродуктивные ареалы) в основном связано с территориями, где повышенная плотность организмов.

Вероятность случайных скрещиваний (панмиксии), обуславли­вающих из поколения в поколение эффективную перекомби­нацию генов, внутри "сгущений" оказывается выше, чем в зонах между ними, а также для вида в целом. Таким образом, в ре­продуктивном процессе генофонд вида представлен генофон­дами популяций.

Популяцией называют минимальную самовоспроизводящуюся группу особей одного вида, населяющих определенную территорию (ареал) достаточно долго (в течение многих поколений). В по­пуляции фактически осуществляется сравнительно высокий уровень панмиксии, и она в определенной степени отделена от других популяций той или иной формой изоляции.

Экологически популяция характеризуется величиной, оцени­ваемой по занимаемой территории (ареалу), численности осо­бей, возрастному и половому составу.

Размеры ареала зависят от радиусов индивидуальной активно­сти организмов данного вида и особенностей природных усло­вий на соответствующей территории.

Численность особей в популяциях организмов разных видов различается. Существуют минимальные значения численности, при которых популяция способна поддерживать себя во вре­мени. Сокращение численности ниже этого минимума приво­дит к вымиранию популяции.

Величина популяции постоянно колеблется, что зависит от изменений экологической ситуации. Так, осенью благоприят­ного по кормовым условиям года популяция диких кроликов на одном из островов у юго-западного побережья Англии со­стояла из 10000 особей. После холодной малокормной зимы число особей снизилось до 100.

Возрастная структура популяций организмов разных видов варьируется в зависимости от продолжительности жизни, ин­тенсивности размножения, возраста достижения половой зре­лости.

В зависимости от вида организмов она может быть то более, то менее сложной. Так, у стадных млекопитающих, например дельфинов-белух Delphinapterus leucas, в популяции одновре­менно находятся детеныши текущего года рождения, подрос­ший молодняк прошлого года рождения, половозрелые, но, как правило, не размножающиеся животные в возрасте 2–3 лет, взрослые размножающиеся особи в возрасте 4–20 лет. С дру­гой стороны, у землероек Sorex весной рождаются 1–2 прип­лода, вслед за чем взрослые особи вымирают, так что осенью вся популяция состоит из молодых неполовозрелых животных.

Половой состав популяций обуславливается эволюционно за­крепленными механизмами формирования первичного (на мо­мент зачатия), вторичного (на момент рождения) и третичного (во взрослом состоянии) соотношений полов. В качестве примера рассмотрим изменение полового состава популяции людей. На момент рождения оно составляет 106 мальчиков на 100 девочек, в возрасте 16–18 лет выравнивается, в возрасте 50 лет насчи­тывает 85 мужчин на 100 женщин, а в возрасте 80 лет – 50 мужчин на 100 женщин.

 


Разблокировка МТС Smart Run 4G
Разблокировка МТС Smart Run 4G


iTunes Gift Card (Россия) 500 рублей
iTunes Gift Card (Россия) 500 рублей


Xbox Live - Карта Оплаты 2500 рублей
Xbox Live - Карта Оплаты 2500 рублей